Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Все эукариотические
клетки содержат – митохондрии, это
энергетические станции клеток. Митохондрия покрыта двумя мембранами: наружной и
внутренней.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Наружная мембрана
гладкая. Она состоит из липидов с вкраплениями белков. Основная её функция —
отграничение митохондрии от цитоплазмы.

А внутренняя
мембрана имеет многочисленные складки и выступы — кристы, существенно увеличивающие площадь её
поверхности.

Внутриклеточное
пространство митохондрий заполнено розовым веществом – матриксом.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

В матриксе митохондрии,
находятся ферменты, необходимые для многих биохимических реакций. 

Крупные молекулы могут
пересекать наружную мембрану только через транспортные белки митохондриальных мембран.

Внутренняя мембрана
митохондрии в отличие от внешней не имеет специальных отверстий для транспорта
мелких молекул и ионов. На стороне мембраны, обращённой к матриксу,
располагаются особые молекулы АТФ-синтазы (это группа
ферментов).

Благодаря
АТФ-синтезам происходит синтез АТФ (аденозин трифосфорной
кислоты).

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Перед нами химическая
структура АТФ.
В ней имеется азотистое основание аденин. Углевод – рибоза. И
три…именно три остатка фосфорной кислоты, фосфатные связи которых богаты
энергией. При их разрыве эта энергия высвобождается.

Рассмотрим подробнее
синтез АТФ.

В АТФ-синтазу
с внешней стороны мембраны митохондрии проходят протоны (ионы водорода). При
прохождении 3х ионов в матрикс высвобождается достаточно энергии. Полученная
энергия пойдёт на синтез 1 молекулы АТФ.

То есть к АДФ (аденозин дифосфорной кислоте) присоединится фосфат и получится
молекула АТФ. (аденозин трифосфорная
кислота).

Когда концентрация
протонов по обе стороны мембраны становится одинаковая процесс синтеза АТФ
прекращается. Синтезированные молекулы АТФ переносятся в разные части клетки,
при помощи белков переносчиков.

Благодаря синтезу АТФ,
митохондрии называют энергетическими органоидами клетки.

В матриксе митохондрии находится
собственный белоксинтезирующий аппарат митохондрии, РНК и митохондриальная
ДНК. Собственная ДНК митохондрий представляет собой замкнутую кольцевую
двуспиральную молекулу.

Также митохондрии могут
самостоятельно размножаться. Например, перед делением клетки, число митохондрий
возрастает настолько, чтобы их хватило на две клетки. Таким образом,
митохондрии всегда образуются от митохондрий. Формы митохондрий могут быть
различными: овальными, круглыми, палочковидными.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Количество их в клетке
также неодинаково. Очень много митохондрий в клетках, где велики энергетические
затраты. Например, в активно работающих тканях — клетках крыльев птиц и клетках
печени.

Митохондрии содержатся во
всех эукариотических клетках. А вот в прокариотических их нет. Этот факт, а также наличие в
митохондриях ДНК позволили учёным полагать, что ранее митохондрии были
свободноживущими существами.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Ещё в 1921 г. русский
ботаник Борис Михайлович Козо-Полянский высказал
мнение, о том, что клетка — это симбиотрофная
система, в которой сожительствует несколько организмов.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

В настоящее время эндосимбиотическая теория происхождения митохондрий и
хлоропластов является общепринятой. Согласно этой теории, митохондрии — это в
прошлом самостоятельные организмы. Которые затем за многие миллионы лет
превратились в важнейшие энергетические станции клеток.

Таким образом, главной
функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные
кислоты, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное
расщепление с образованием углекислого газа и воды, связанное с синтезом АТФ.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Растительные клетки
помимо митохондрий содержат пластиды – это полуавтономные
органеллы. То есть органеллы, которые отчасти не зависят от ядра.

Пластиды подразделяют на лейкопласты,
хлоропласты и хромопласты.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

  • Лейкопла́сты −
    это бесцветные сферические пластиды в клетках растений.
  • Они образуются в
    запасающих тканях (клубнях, корневищах), клетках эпидермы и других частях
    растений.
  • Лейкопласты содержат
    ферменты, с помощью которых из глюкозы, образованной в процессе фотосинтеза,
    синтезируется крахмал.
  • Лейкопласты
    подразделяются на амилопласты – это пластиды, которые накапливают
    крахмал.
  • Олеопласты,
    которые накапливают жиры.
  • Протеинопласты
    накапливают белки.
  • А также этиопласты – это лейкопласты, на которые не
    попал солнечный свет.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Все типы пластид могут
превращаться друг в друга.

Например, на свету в
лейкопластах образуется зелёный пигмент хлорофилл, и они тем самым превращаются
в хлоропласты. Вот почему на свету клубни картофеля зеленеют.

Хлоропласты,
пожалуй, самые главные органоиды растений. Так как основная функция зелёных
пластид — это фотосинтез.

Фотосинтез
— это синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным
использованием энергии света. В результате, которого образуются органические
вещества и кислород.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

У высших растений органом
фотосинтеза является лист, а органоидами фотосинтеза — хлоропласты.
Хлоропласты, как и митохондрии, имеют двумембранное
строение. Между складками мембран находятся стопки связанных с ней пузырьков.

Каждая отдельная стопка
таких пузырьков называется граной. В
одном хлоропласте может быть до 50 гран, которые расположены таким образом,
чтобы на каждую попадал свет.

Граны состоят из тилакоидов. Мембрана тилакоида
собственно и является тем местом, где протекают светозависимые
реакции фотосинтеза. Эти реакции идут при участии фотосинтетических
пигментов хлорофиллов
, расположенных непосредственно на мембране тилакода. Так как именно хлорофилл обладает способностью
поглощать лучи света.

Хлорофилл окрашивает
хлоропласты растений в зелёный цвет. Он необходим для превращения энергии света
в химическую энергию АТФ. Энергия, которая заключена в молекуле АТФ, необходима
для синтеза углеводов.

Синтез органических
веществ осуществляется во внутреннем пространстве хлоропластов между гранами.

Например, для того чтобы
в клубнях картофеля образовался крахмал. В растение через корневую систему
поступает вода. По стеблю она приходит в клетки листьев, а затем и в
хлоропласты. Одновременно через устьица в клетку поступает углекислый газ.

Из
воды и углекислого газа под действием солнечного света образуется органическое
вещество глюкоза. Полученную в процессе фотосинтеза глюкозу хранить достаточно
сложно, она легко выходит из клетки. Поэтому растения хранят её в виде крахмала.

Из хлоропластов крахмал перемещается по сосудам растения, а затем поступает в
клубни картофеля и используется клетками, которые не содержат хлорофилл.

  1. Хлоропласты созданы для
    того, чтобы ловить энергию солнечного света… И если посмотреть под микроскоп на
    срез листа, то можно увидеть, как в его клетках зелёные хлоропласты движутся в
    ту сторону где свет наиболее ярок.
  2. Хлоропласты имеют зелёную
    окраску, так как хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, а
    отражают зелёный.
  3. Благодаря хлоропластам и
    фотосинтезу из атмосферы ежегодно поглощаются миллиарды тонн углекислого газа и
    выделяются миллиарды тонн кислорода; фотосинтез является основным источником
    образования органических веществ.

Активный фотосинтез ведёт
к довольно быстрому старению листьев и в конце концов к их отмиранию. Видимый
признак старения листа — покраснение или пожелтение, оно связанно с деградацией
хлоропластов, разрушением хлорофилла и накоплением пигментов каротиноидов.

Каротиноиды
это
комбинация пигментов, которые содержатся в хромопластах.

Хромопласты −
(от греч. «хромо» – цвет, краска) – пластиды с желтой,
оранжевой и красной окраской.

  • Пигменты, так же, как и
    хлорофилл, участвуют в фотосинтезе, однако они улавливают ту часть солнечного
    спектра, которая осталась вне поля зрения хлорофилла.
  • Кроме того, пигменты,
    расположенные в хромопластах, выполняют роль светофильтров, защищающих
    чувствительные к свету ферменты от разрушения.

Хромопласты наиболее
характерны для клеток околоцветников и плодов многих растений. Яркая окраска
цветков привлекает насекомых-опылителей. А яркая окраска плодов привлекает
животных и птиц, благодаря которым распространяются семена.

Зелёные хлоропласты
могут терять хлорофилл и превращаться в хромопласты. Этот процесс мы
наблюдает при созревании плодов.

  1. Также в цитоплазме всех
    клеток вблизи ядра располагается клеточный центр.
  2. Клеточный центр
    — это немембранный органоид, главный центр
    организации микротрубочек и регулятор хода клеточного цикла в клетках эукариот.
  3. У многих животных и
    низших растений клеточный центр содержит пару центриолей.
  4. Центриоли
    – это цилиндрические структуры, расположенные под прямым углом друг к другу.
  5. Каждая центриоль состоит
    из девяти триплетов – состоящих из трёх частей микротрубочек, которые
    расположены по кругу.
  6. Микротрубочки играют
    ключевую роль во внутриклеточном транспорте (служат «рельсами», по которым
    перемещаются молекулярные моторы- белки-кинезины.
  7. Кинезин
    перемещает вдоль микротрубочек мембранные пузырьки (везикулы) и
    другие органоиды.
  8. Клеточный центр играет
    важную роль в формировании цитоскелета,
    поддерживающего форму клеток.

Очень велика роль
клеточного центра при делении клеток, когда центриоли расходятся к полюсам
делящейся клетки и образуют веретено деления.  Это
веретенообразная система микротрубочек. Микротрубочки веретена, присоединяются
к белковым структурам хроматид в области центромер и
обеспечивают движение хромосом по направлению к полюсам.

Органоиды движения

Некоторые клетки способны
к движению. Например, одноклеточные организмы инфузория туфелька и эвглена зелёная
перемещаются при помощи особых органоидов движения – ресничек и жгутиков.

  • Несмотря на то, что
    реснички отличаются по размерам от жгутиков, они имеют общее строение.
  • Органоиды движения
    образованы такими же микротрубочками, как и центриоли клеточного центра.

Жгутики и реснички
крепятся к цитоплазме клеток благодаря базальным тельцам. Рядом с
базальным тельцем располагается особая органелла, которая обеспечивает
выработку энергии для жгутика.

Органоиды движения
встречаются и у многоклеточных организмов. Например, эпителий бронхов человека
покрыт множеством ресничек. Реснички двигаются одновременно, образуя
своеобразные волны. Так они очищают бронхи от инородных частиц и пыли.

При рассмотрении клетки
под микроскопом в её цитоплазме можно обнаружить различные включения, гранулы,
содержащие питательные вещества для клетки. Клеточные включения
это образования, которые могут появляться и исчезать.

Ими могут быть капли
жира, гранулы крахмала, кристаллы солей и другие.

ХиМиК.ru — Митохондрии: структура и функции. НАГЛЯДНАЯ БИОХИМИЯ. Ян Кольман, Клаус-Генрих Рем, Юрген Вирт

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки. Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки. Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

  • Митохондрии: структура и функции
  • А. Структура митохондрий

Митохондрии — это органеллы размером с бактерию (около 1 х 2 мкм). Они найдены в большом количестве почти во всех эукариотических клетках. Обычно в клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Митохондрия ограничена двумя мембранамигладкой внешней и складчатой внутренней, имеющей очень большую поверхность. Складки внутренней мембраны глубоко входят в матрикс митохондрий, образуя поперечный перегородки — кристы. Пространство между внешней и внутренней мембранами обычно называют межмембранным пространством.

Читайте также:  Лечение других видов необратимой деменции. Лечение сосудистой деменции.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Различный типы клеток отличаются друг от друга как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист.

Особенно много крист имеют митохондрии в тканях с активными окислительными процессами, например в сердечной мышце.

Вариации митохондрий по форме, что зависит от их функционального состояния, могут наблюдаться и в тканях одного типа. Митохондрии — изменчивые и пластичные органеллы.

Мембраны митохондрий содержат интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану входят порины, которые образуют поры и делают мембраны проницаемыми для веществ с молекулярной массой до 10 кДа (см. рис. 223). Внутренняя же мембрана митохондрий непроницаема для большинства молекул; исключение составляют О2, СО2, Н20.

Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется необычно высоким содержанием белков (75%). В их число входят транспортные белки-переносчики (см. рис. 215), ферменты, компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Кроме того, в ней содержится необычный фосфолипид кардиолипин (см. с. 56).

Матрикс также обогащен белками, особенно ферментами цитратного цикла.

Б. Метаболические функции

Митохондрии являются «силовой станцией» клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ (АТР).

В митохондриях локализованы следующие метаболические процессы: превращение пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом: цитратный цикл; дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (сочетание этих процессов носит название «окислительное фосфорилирование»); расщепление жирных кислот путем β-окисления и частично цикл мочевины. Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма и действуют наряду с ЭР как депо ионов кальция, которое с помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Са2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже 1 мкмоль/л).

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное расщепление с образованием СО2 и Н2О, сопряженное с синтезом АТФ.

Реакции цитратного цикла приводят к полному окислению углеродсодержащих соединений (СО2) и образованию восстановительных эквивалентов, главным образом в виде восстановленных коферментов. Большинство этих процессов протекают в матриксе.

Ферменты дыхательной цепи, которые реокисляют восстановленные коферменты, локализованы во внутренней мембране митохондрий. В качестве доноров электронов для восстановления кислорода и образования воды используются НАДН и связанный с ферментом ФАДН2.

Эта высоко экзергоническая реакция является многоступенчатой и сопряжена с переносом протонов (Н+) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство (см. рис. 143). В результате на внутренней мембране создается электрохимический градиент (см. рис. 129).

В митохондриях электрохимический градиент используется для синтеза АТФ из АДФ (ADP) и неорганического фосфата (Рi) при катализе АТФ-синтазой. Электрохимический градиент является также движущей силой ряда транспортных систем (см. рис. 215).

Митохондрии — нечто большее, чем «фабрики энергии»

Митохондрии — это универсальные клеточные органеллы, обнаруживаемые почти у всех эукариот (живые организмы, клетки которых содержат ядро). Они критически важны, потому что производят энергию в форме АТФ, питая различные функции клеток (и организм в целом). По этой причине их часто называют «энергетическими станциями» или «фабриками энергии».

Содержание:

Тем не менее, митохондрии — это нечто большее, чем просто «энергетические станции». Ведь именно их появлению внутри клеток мы обязаны такому огромному биоразнообразию животных и растений, которое мы сейчас наблюдаем. Дело в том, что хотя митохондрии и являются неотъемлемой частью клетки, теория симбиогенеза предполагает, что они произошли от бактерий.

Захват примитивными клетками (прокариотами) бактерий мог позволить им использовать кислород для генерации энергии, так необходимой для поддержания большого генетического аппарата (для эволюции).

Однако несмотря на миллиарды лет совместной эволюции, митохондрии сохранили многие черты самостоятельных организмов: собственная ДНК, и даже свои рибосомы, в которых тоже происходит синтез белка.

Количество митохондрий в клетке широко варьируется в зависимости от вида организма и типа ткани. Отдельная клетка может иметь от одной до нескольких миллионов митохондрий. Например, митохондрии составляют 10% массы человека, однако для некоторых энергоемких тканей и органов эта цифра может достигать 40 процентов.

Не все клетки одинаковые

Клетка может представлять из себя как «кирпичик» многоклеточного организма, так и целый организм.

За небольшим исключением, почти все клетки содержат генетический материал (ДНК и РНК), который регулирует метаболизм и синтез белков. Однако не у всех живых организмов клетки организованы одинаково.

Поэтому на основании различий в клеточной организации выделяют две группы: эукариоты и прокариоты.

Растения, животные и грибы являются эукариотами и имеют высокоупорядоченные клетки. Их генетический материал упакован в центральное ядро, которое окружено специализированными клеточными компонентами, называемыми органеллами.

Органеллы, такие как митохондрии, шероховатый эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи, работают как хорошо отлаженный конвейер. Одни производят энергию, другие синтезируют и упаковывают белки, третьи транспортируют их в различные части клетки и за ее пределы.

Ядро, как и большинство эукариотических органелл, связано мембранами, которые регулируют вход и выход белков, ферментов и другого клеточного материала в органеллу и из нее.

Прокариоты, с другой стороны, являются одноклеточными организмами, такими как бактерии и археи. Прокариотические клетки менее структурированы, чем эукариотические. У них нет ядра. Вместо этого их генетический материал свободно плавает в клетке. У них нет многих мембраносвязанных органелл, обнаруженных в эукариотических клетках, в том числе нет митохондрий.

«Митос» и «хондрос»

В обзоре истории митохондрий за 1981 год, опубликованном в журнале «Cell Biology», авторы Ларс Эрнстер и Готфрид Шатц отмечают, что первое истинное наблюдение за митохондриями было проведено Ричардом Альтманом в 1890 году. Хотя Альтман назвал их «биобластами», их нынешнее название было дано Карлом Бенда в 1898 году.

Оно происходит от двух греческих слов: «митос» и «хондрос», означающих нить и гранула. Дело в том, что митохондрии подстраиваются под количество поступаемой и расходуемой энергии. Добиваются они этого слиянием (образуя цепочки) и делением. При нехватке поступающей энергии они сливаются, а при избытке — делятся и утилизируют ее.

Длительная фрагментация, как и длительное слияние, влияют на качество митохондрий в клетках их функциональность.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.Динамика митохондрий

Здоровые циклы деления и слияния («динамика митохондрий») – залог метаболического здоровья клетки.

Строение митохондрий

Отдельные митохондрии имеют форму капсул с наружной и волнообразной внутренней мембраной, напоминающей выступающие пальцы. Их внутренние мембранные складки называются кристами и служат для увеличения общей площади поверхности. Они окружают матрикс, содержащий ферменты и ДНК. На внутренней мембране также находится система окислительного фосфорилирования, работа которой обеспечивает окисление энергетических субстратов с образованием АТФ.

Митохондрии отличаются от большинства органелл (за исключением хлоропластов растений) тем, что у них есть собственный набор ДНК и генов, которые кодируют белки. По сравнению с кристой внешняя мембрана является более пористой и менее избирательной в отношении того, какие вещества она впускает.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.Строение митохондрий

Основная функция митохондрий заключается в том, чтобы метаболизировать и расщеплять углеводы и жирные кислоты для выработки энергии. Эукариотические клетки используют энергию в форме химической молекулы, называемой АТФ (аденозинтрифосфат).

Генерация АТФ происходит в митохондриальном матриксе, но начальные этапы углеводного (глюкозного) метаболизма происходят вне органелл. Согласно второму изданию Джеффри Купера «The Cell: A Molecular Approach», глюкоза сначала превращается в пируват, а затем транспортируется в матрикс. С другой стороны, жирные кислоты попадают в митохондрии как есть.

Если упростить, то можно описать синтез АТФ в три связанных этапа:

  1. Используя ферменты, присутствующие в матриксе, пируват и жирные кислоты превращаются в молекулу, известную как ацетил-КоА;
  2. Ацетил-КоА становится исходным материалом для второй химической реакции, известной как цикл лимонной кислоты или цикл Кребса. Этот шаг производит много углекислого газа и две дополнительные молекулы, НАДН и ФАД, которые богаты электронами;
  3. НАДН и ФАД движутся к внутренней митохондриальной мембране и начинают третий этап: окислительное фосфорилирование. В этой последней химической реакции НАДН и ФАД отдают свои электроны кислороду, что приводит к условиям, подходящим для образования АТФ.

Однако роль «электростанции» — не единственная функция митохондрий. Кроме этого они выполняют:

  • Сигнальные функции. Ацетилирование, ретроградный сигналинг, дифферецировка клеток;
  • Функции синтеза. Синтез стероидов, гема и пуринов;
  • Функции апоптоза и метаболизма кальция. Метаболизм кальция важен для передачи нервных импульсов и т.д.

Различия в генах митохондрий

В ходе эволюции большая часть генома митохондрий была перенесена в ядро клетки, однако часть мтДНК была сохранена и все еще функциональна. Здесь и обнаруживается основное отличие митохондрии растений и животных, ведь ни смотря на то, что они не различаются по своей базовой структуре, их «остаточные» геномы совершенно разные.

Митохондриальные ДНК растений могут значительно отличаться и достигать 25 миллионов пар оснований, в то время как мтДНК млекопитающих имеют размер приблизительно от 15 000 до 16 000 п. о. (16568 у человека).

Один из наиболее маленьких митохондриальных геномов имеет малярийный плазмодий (около 6.000 п.о., содержит два гена рРНК и три гена, кодирующих белки).

Митохондриальный геном растения, хоть и изображен в виде кольца, может принимать альтернативные формы.

Читайте также:  Слабилен - инструкция по применению, отзывы, аналоги и формы выпуска (капли, таблетки 5 мг, 7,5 мг, 15 мг) слабительного лекарственного препарата для лечения запоров, гипотонии кишечника и похудения у взрослых, детей и при беременности

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.Карта митохондриального генома человека

У большинства многоклеточных организмов митохондриальная ДНК наследуется по материнской линии. Яйцеклетка содержит на несколько порядков больше копий митохондриальной ДНК, чем сперматозоид.

Мутации митохондрий

Как мы уже выяснили, митохондрии имеют свой генетический материал в виде кольцевой ДНК (может быть одна или несколько). С возрастом в митохондриальной ДНК накапливаются различные повреждения. Могут быть как точечные мутации, так и крупные повреждения (например, «частая» делеция 4977bp). Когда доля мутантных митохондрий в клетке достигает определенного порога возникает их дисфункция.

Есть несколько теорий почему возникают повреждения в мтДНК.

  • Повреждение свободными радикалами;
  • Ошибки репликации, клональная экспансия. Еще на этапе оплодотворения яйцеклетки могут передаваться мутантные митохондрии, количество которых увеличивается с возрастом;
  • «Войны» митохондрий между собой и иммунитетом. Эгоистичная мтДНК. Если митохондриальная ДНК выходит из митохондрии, то она является триггером иммунного воздействия.

Мы не сдаем анализы на «здоровость» своих митохондрий, но это не отменяет того факта, что нарушение их работы ведет к различным проблемам со здоровьем. К ним относятся неврологические проблемы, проблемы с сердцем, диабет, ожирение и, банально, ускоренное старение.

Происхождение митохондрий: теория эндосимбионтов

В своей статье 1967 года «О происхождении митозирующих клеток», опубликованной в «Журнале теоретической биологии», ученая Линн Маргулис предложила теорию, объясняющую, как образовались эукариотические клетки вместе с их органеллами. Она предположила, что митохондрии и хлоропласты растений когда-то были свободноживущими прокариотическими клетками, которые были поглощены примитивной эукариотической клеткой-хозяином.

Пути эволюции древнейших эукариот, согласно взглядам Линн Маргулис. Иллюстрация с сайта earthstep.wordpress.com, с изменениями

Гипотеза Маргулиса теперь известна как «теория эндосимбионтов». Деннис Сирси, почетный профессор Массачусетского университета в Амхерсте, объяснил это следующим образом:

«Две клетки начали жить вместе, обмениваясь каким-либо субстратом или метаболитом (продуктом метаболизма, таким как АТФ). Объединение стало обязательным, так что теперь клетка-хозяин не может жить отдельно».

Согласно статье Майкла Грея о эволюции митохондрий, опубликованной в 2012 году в журнале Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, Маргулис основывала свою гипотезу на двух ключевых фактах.

Во-первых, митохондрии имеют свою собственную ДНК.

Во-вторых, органеллы способны транслировать сообщения, закодированные в их генах, в белки без использования каких-либо ресурсов эукариотической клетки.

Секвенирование генома и анализ митохондриальной ДНК установили, что Маргулис была права относительно происхождения митохондрий. Происхождение органеллы было прослежено до примитивного бактериального предка, известного как альфа-протеобактерии.

Несмотря на подтверждение бактериального наследия митохондрий, теория эндосимбионтов продолжает изучаться. «Один из самых больших вопросов сейчас — «Кто является клеткой-хозяином?».

Как отмечает Грей в своей статье, остаются вопросы о том, возникли ли митохондрии после возникновения эукариотической клетки (как это было предположено в теории эндосимбионтов) или же возникли митохондрии и клетки-хозяева одновременно.

Строение и функции митохондрий. Сходства и различия с хлоропластом

Митохондрии — это микроскопические мембранные органоиды, которые обеспечивают клетку энергией. Поэтому их называют энергетическими станциями (аккумулятором) клеток.

Митохондрии отсутствуют в клетках простейших организмов, бактерий, энтамеб, которые живут без использования кислорода. Некоторые зеленые водоросли, трипаносомы содержат одну большую митохондрию, а клетки сердечной мышцы, мозга имеют от 100 до 1000 данных органелл.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Особенности строения

Митохондрии относятся к двухмембранным органеллам, имеют внешнюю и внутреннюю оболочки, межмембранное пространство между ними и матрикс.

Внешняя мембрана. Она гладкая, не имеет складок, отграничивает внутреннее содержимое от цитоплазмы. Ширина ее равна 7нм, в составе находятся липиды и белки. Важную роль выполняет порин — белок, образующий каналы во внешней мембране. Они обеспечивают ионный и молекулярный обмен.

Межмембранное пространство. Величина межмембранного пространства около 20нм. Вещество, заполняющее его по составу сходно с цитоплазмой, за исключением крупных молекул, которые могут сюда проникнуть только путем активного транспорта.

Митохондрии. Строение и функции митохондрий клетки.

Внутренняя мембрана. Построена в основном из белка, только треть отводится на липидные вещества. Большое количество белков являются транспортными, так как внутренняя мембрана лишена свободно проходимых пор.

Она формирует много выростов – крист, которые выглядят, как приплюснутые гребни. Окисление органических соединений до CO2 в митохондриях происходит на мембранах крист. Этот процесс кислородзависимый и осуществляется под действием АТФ-синтетазы.

Высвобожденная энергия сохраняется в виде молекул АТФ и используется по мере необходимости.

Матрикс – внутренняя среда митохондрий, имеет зернистую однородную структуру. В электронном микроскопе можно увидеть гранулы и нити в клубках, которые свободно лежат между кристами.

В матриксе находится полуавтономная система синтеза белка – здесь расположены ДНК, все виды РНК, рибосомы.

Но все же большая часть белков поставляется с ядра, поэтому митохондрии называют полуавтономными органеллами.

Расположение в клетке и деление

Хондриом – это группа митохондрий, которые сосредоточены в одной клетке. Они по-разному располагаются в цитоплазме, что зависит от специализации клеток.

Размещение в цитоплазме также зависит от окружающих ее органелл и включений.  В клетках растений они занимают периферию, так как к оболочке митохондрии отодвигаются центральной вакуолью.

В клетках почечного эпителия мембрана образует выпячивания, между которыми находятся митохондрии.

В стволовых клетках, где энергия используется равномерно всеми органоидами, митохондрии размещены хаотично. В специализированных клетках они, в основном, сосредоточены в местах наибольшего потребления энергии.

К примеру, в поперечно-полосатой мускулатуре они расположены возле миофибрилл. В сперматозоидах они спирально охватывают ось жгутика, так как для приведения его в движение и перемещения сперматозоида нужно много энергии.

Простейшие, которые передвигаются при помощи ресничек, также содержат большое количество митохондрий у их основания.

Деление. Митохондрии способны к самостоятельному размножению, имея собственный геном. Органеллы делятся с помощью перетяжки или перегородок. Формирование новых митохондрий в разных клетках отличается периодичностью, например, в печеночной ткани они сменяются каждые 10 дней.

Функции в клетке

  1. Основная функция митохондрий – образование молекул АТФ.
  2. Депонирование ионов Кальция.
  3. Участие в обмене воды.
  4. Синтез предшественников стероидных гормонов.

Молекулярная биология – это наука, изучающая роль митохондрий в метаболизме. В них также идет превращение пирувата в ацетил-коэнзим А, бета-окисление жирных кислот.

Таблица: строение и функции митохондрий (кратко)
Структурные элементы Строение Функции
Наружная мембрана Гладкая оболочка, построена из липидов и белков Отграничивает внутреннее содержимое от цитоплазмы
Межмембранное пространство Находятся ионы водорода, белки, микромолекулы Создает протонный градиент
Внутренняя мембрана Образует выпячивания – кристы, содержит белковые транспортные системы Перенос макромолекул, поддержание протонного градиента
Матрикс Место расположения ферментов цикла Кребса, ДНК, РНК, рибосом Аэробное окисление с высвобождением энергии, превращение пирувата в ацетил-коэнзим А.
Рибосомы Объединённые две субъединицы Синтез белка

Сходство митохондрий и хлоропластов

Общие свойства для митохондрий и хлоропластов обусловлены, прежде всего, наличием двойной мембраны.

Признаки сходства также заключаются в способности самостоятельно синтезировать белок. Эти органеллы имеют свое ДНК, РНК, рибосомы.

И митохондрии и хлоропласты могут делиться с помощью перетяжки.

Объединяет их также возможность продуцировать энергию, митохондрии более специализированы в этой функции, но хлоропласты во время фотосинтезирующих процессов тоже образуют молекулы АТФ. Так, растительные клетки имеют меньше митохондрий, чем животные, потому что частично функции за них выполняют хлоропласты.

Опишем кратко сходства и различия:

  • Являются двомембранными органеллами;
  • внутренняя мембрана образует выпячивания: для митохондрий характерны кристы, для хлоропластов – тиллакоиды;
  • обладают собственным геномом;
  • способны синтезировать белки и энергию.

Различаются данные органоиды своими функциями: митохондрии предназначены для синтеза энергии, здесь осуществляется клеточное дыхание, хлоропласты нужны растительным клеткам для фотосинтеза.

Оцените, пожалуйста, статью. Мы старались:) (29

Митохондрия

Митохондрия – это двумембранный органоид эукариотической клетки, основная функция которого синтез АТФ – источника энергии для жизнедеятельности клетки.

Количество митохондрий в клетках не постоянно, в среднем от нескольких единиц до нескольких тысяч. Там, где процессы синтеза идут интенсивно, их больше.

Также варьирует размер митохондрий и их форма (округлые, вытянутые, спиральные, чашевидные и др.). Чаще имеют округлую вытянутую форму, диаметром до 1 микрометра и длиной до 10 мкм.

Могут перемещаться в клетке с током цитоплазмы или оставаться в одном положении. Перемещаются к местам, где больше всего требуется выработка энергии.

Согласно гипотезе симбиогенеза митохондрии произошли от аэробных бактерий, внедрившихся в другую прокариотическую клетку. Эти бактерии начали снабжать клетку дополнительным количеством молекул АТФ, а получать от нее питательные вещества. В процессе эволюции они потеряли автономность, передав часть своих генов в ядро и став таким образом клеточной органеллой.

В клетках новые митохондрии появляются в основном путем деления ранее существующих, т. е. они не синтезируются заново, что напоминает процесс размножения и говорит в пользу симбиогенеза.

Строение и функции митохондрии

Митохондрия состоит из

  • двух мембран — внешней и внутренней,
  • межмембранного пространства,
  • внутреннего содержимого — матрикса,
  • крист, представляющих собой выросты в матрикс внутренней мембраны,
  • собственной белок-синтезирующей системы: ДНК, рибосом, РНК,
  • белков и их комплексов, в том числе большого количества ферментов и коферментов,
  • других молекул и гранул различных веществ, находящихся в матриксе.

Внешняя и внутренняя мембраны выполняют разные функции, поэтому различается их химический состав. Расстояние между мембранами составляет до 10 нм.

Внешняя мембрана митохондрий по строению схожа с плазмалеммой, окружающей клетку, и выполняет в основном барьерную функцию, отграничивая содержимое органоида от цитоплазмы. Через нее проникают мелкие молекулы, транспорт крупных избирателен.

Читайте также:  Раннее выявление фенилкетонурии. Скрининг населения на фенилкетонурию.

В некоторых местах внешняя мембрана соединена с ЭПС, каналы которой открываются в митохондрию.

На внутренней мембране, в основном ее выростах — кристах, располагаются ферменты, образуя мультиферментативные системы. Поэтому по химическому составу здесь преобладают белки, а не липиды. Количество крист варьирует в зависимости от интенсивности процессов. Так в митохондриях мышц их очень много.

В некоторых местах внешняя и внутренняя мембрана соединяются между собой.

У митохондрий, также как у хлоропластов, есть своя белоксинтезирующая система — ДНК, РНК и рибосомы. Генетический аппарат представляет собой кольцевую молекулу – нуклеоид, как у бактерий.

Рибосомы митохондрий растений схожи с бактериальными, у животных митохондриальные рибосомы мельче не только цитоплазматических, но и бактериальных.

Часть необходимых белков митохондрии синтезируют сами, другую часть получают из цитоплазмы, так как эти белки кодируются ядерными генами.

Главная функция митохондрий — снабжать клетку энергией, которая путем многочисленных ферментативных реакций извлекается из органических соединений и запасается в АТФ. Часть реакций идет с участием кислорода, в других выделяется углекислый газ. Реакции идут как в матриксе (цикл Кребса), так и на кристах (окислительное фосфорилирование).

Следует иметь в виду, что в клетках АТФ синтезируется не только в митохондриях, но и в цитоплазме в процессе гликолиза. Однако эффективность этих реакций невысока. Особенность функции митохондрий в том, что в них протекают реакции не только бескислородного окисления, но и кислородный этап энергетического обмена.

Другими словами, функция митохондрий – активное участие в клеточном дыхании, к которому относят множество реакций окисления органических веществ, переноса протонов водорода и электронов, идущих с выделением энергии, которая аккумулируется в АТФ.

Ферменты митохондрий

Ферменты транслоказы внутренней мембраны митохондрий осуществляют активный транспорт АДФ и АТФ.

В структуре крист выделяют элементарные частицы, состоящие из головки, ножки и основания. На головках, состоящих из фермента АТФазы, происходит синтез АТФ. АТФаза обеспечивает сопряжение фосфорилирования АДФ с реакциями дыхательной цепи.

Компоненты дыхательной цепи находятся в основании элементарных частиц в толще мембраны.

В матриксе находится большая часть ферментов цикла Кребса и окисления жирных кислот.

В результате активности электротранспортной дыхательной цепи ионы водорода поступают в нее из матрикса, а высвобождаются на наружной стороне внутренней мембраны. Это осуществляют определенные мембранные ферменты. Разница в концентрации ионов водорода по разные стороны мембраны приводит к возникновению градиента pH.

Энергию для поддержания градиента поставляет перенос электронов по дыхательной цепи. Иначе ионы водорода диффундировали бы обратно.

Энергия градиента pH используется для синтеза АТФ из АДФ:

АДФ + Ф = АТФ + H2O (реакция обратима)

Образующаяся вода ферментативно удаляется. Это, наряду с другими факторами, облегчает протекание реакции слева направо.

plustilino © 2019. All Rights Reserved

Митохондрии в клетках организма: раб или большой начальник?

В Главном здании МГУ имени М.В. Ломоносова состоялась лекция доктора биологических наук, профессора Дмитрия Борисовича Зорова «Митохондрии и болезни».

Митохондрия – это органоиды в клетках, являющиеся источником энергии для этих клеток. Они считаются частью клетки и отвечают за превращение органических веществ из пищи в энергию для тела.

«Самое важное значение этой органеллы состоит в том, что она вырабатывает аденозинтрифосфат (АТФ). Проще говоря, является «электростанцией» в нашем организме, без нее клетки не могут полноценно функционировать – постепенно «старятся» и погибают», – комментирует лектор.

В 1926 году Айвен Уоллин предположил, что митохондрии когда-то были самостоятельно живущими бактериями, а в процессе эволюции стали частью нашего организма. Даже находясь внутри человеческой клетки, митохондрия продолжает оставаться самостоятельной: у нее есть своя «кухня» по синтезу белка, включая и собственные молекулы ДНК и РНК.

Сегодня снова перед научным миром встает вопрос, что представляет собой митохондрия?

«Известно, что у митохондрии 1 500 собственных белков, и каждый из них имеет определенную функцию. Так, только часть белков отвечает за энергообразование, у другой же части белков – иные задачи. Революция произошла в 1996 году, когда митохондрии приписали новую роль – участие в клеточной гибели», – объясняет Зоров.

Существует 14 разных видов гибели клеток. В этот момент митохондрия «выпускает» из себя разные сигнальные вещества, которые можно рассматривать, как инициаторов окончательного процесса гибели клеток.

Казалось бы, эта «убийственная» функция нежелательна, не нужна организму, однако, это не так. Ведь клетки в организме человека – разные, некоторых из них делятся.

Если отменить деление клеток – организму будет «плохо», если же запретить уничтожение клеток – в организме могут начать развиваться фатальные процессы. Например, возникновение раковой опухоли.

При нарушении работы этих незаметных нам «энергоблоков» начинаются проблемы с энергообменом в клетке. При легких формах нарушения человек не выдерживает простых физических нагрузок, которые он способен переносить, исходя из своего возраста. Более серьезные нарушения провоцируют необратимые изменения в энергообмене, и как следствие, сильные нарушения в работе клеток.

«Для митохондрий не присуще рекомбинирование генов, но при этом скорость мутации значительно выше.

Во время деления митохондрии распределение генов между новыми клетками имеет совершенно случайный характер. Вероятность возникновения мутации от 1 до 99%.

Причем спрогнозировать ее нет никакой возможности.  И чем больше больных генов, тем больше вероятность нарушения», – говорит Дмитрий Борисович.

Может ли человек сам влиять на работу митохондрий для предотвращения «коллапсов»?

«На самом деле, мы можем достаточно легко увеличить количество митохондрий в нашем организме и даже улучшить качество их работы. К слову, сделать это помогают фитнес-тренировки. Митохондрии не могут эффективно работать без кислорода. Именно физические нагрузки способствуют увеличению количества митохондрий и изменению их формы», – поясняет Зоров.

А что происходит в старости?

Когда основная масса митохондрий будет повреждена свободными радикалами или их количество резко сократится, то они не смогут производить достаточное количество энергии для поддержания жизни – наступает старение мышечных волокон человека. Это отражается на внутренних органах, которые начинают чахнуть.

«Однако если митохондриям дать возможность эффективно генерировать энергию, занимаясь физическими нагрузками аэробного характера, поддерживая низкокалорийную диету, то старение организма происходит не так стремительно», – подытоживает ученый.

5. Строение и функции полуавтономных структур клетки: митохондрий и пластид

Митохондрии (от гр. mitos – «нить», chondrion – «зернышко, крупинка») – это постоянные мембранные органеллы округлой или палочковидной (нередко ветвящейся) формы. Толщин – 0,5 мкм, длина – 5–7 мкм.

Количество митохондрий в большинстве животных клеток – 150—1500; в женских яйцеклетках – до нескольких сотен тысяч, в сперматозоидах – одна спиральная митохондрия, закрученная вокруг осевой части жгутика.

Основные функции митохондрий:

1) играют роль энергетических станций клеткок. В них протекают процессы окислительного фосфорилирования (ферментативного окисления различных веществ с последующим накоплением энергии в виде молекул аденозинтрифосфата – АТФ);

2) хранят наследственный материал в виде митохондриаль-ной ДНК. Митохондрии для своей работы нуждаются в белках, закодированных в генах ядерной ДНК, так как собственная митохондриальная ДНК может обеспечить митохондрии лишь несколькими белками.

Побочные функции – участие в синтезе стероидных гормонов, некоторых аминокислот (например, глютаминовой). Строение митохондрий

Митохондрия имеет две мембраны: наружную (гладкую) и внутреннюю (образующую выросты – листовидные (кристы) и трубчатые (тубулы)). Мембраны различаются по химическому составу, набору ферментов и функциям.

У митохондрий внутренним содержимым является матрике – коллоидное вещество, в котором с помощью электронного микроскопа были обнаружены зерна диаметром 20–30 нм (они накапливают ионы кальция и магния, запасы питательных веществ, например, гликогена).

В матриксе размещается аппарат биосинтеза белка органеллы: 2–6 копий кольцевой ДНК, лишенной гистоновых белков (как у прокариот), рибосомы, набор т-РНК, ферменты редупликации, транскрипции, трансляции наследственной информации.

Этот аппарат в целом очень похож на таковой у прокариот (по количеству, структуре и размерам рибосом, организации собственного наследственного аппарата и др.

), что служит подтверждением симбиоти-ческой концепции происхождения эукариотической клетки.

В осуществлении энергетической функции митохондрий активно участвуют как матрикс, так и поверхность внутренней мембраны, на которой расположена цепь переноса электронов (цитохро-мы) и АТФ-синтаза, катализирующая сопряженное с окислением фосфорилирование АДФ, что превращает его в АТФ.

Митохондрии размножаются путем перешнуровки, поэтому при делении клеток они более или менее равномерно распределяются между дочерними клетками. Так, между митохондриями клеток последовательных генераций осуществляется преемственность.

Таким образом, митохондриям свойственна относительная автономность внутри клетки (в отличие от других органоидов). Они возникают при делении материнских митохондрий, обладают собственной ДНК, которая отличается от ядерной системой синтеза белка и аккумулирования энергии.

Пластиды

Это полуавтономные структуры (могут существовать относительно автономно от ядерной ДНК клетки), которые присутствуют в растительных клетках. Они образуются из пропластид, которые имеются у зародыша растения. Отграничены двумя мембранами.

  • Выделяют три группы пластид:
  • 1) лейкопласты. Имеют округлую форму, не окрашены и содержат питательные вещества (крахмал);
  • 2) хромопласты. Содержат молекулы красящих веществ и присутствуют в клетках окрашенных органов растений (плодах вишни, абрикоса, помидоров);

3) хлоропласты. Это пластиды зеленых частей растения (листьев, стеблей). По строению они во многом схожи с митохондриями животных клеток.

Наружная мембрана гладкая, внутренняя имеет выросты – ламелосомы, которые заканчиваются утолщениями – тилакоидами, содержащие хлорофилл.

В строме (жидкой части хлоропласта) содержатся кольцевая молекула ДНК, рибосомы, запасные питательные вещества (зерна крахмала, капли жира).

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector